新型B4C/Al双连续梯度装甲材料的微结构控制及其损伤演化机制

The interface step change of layered ceramic/metal armour materials is one of the key factors decreasing the impact resistance. The gradient of ceramic/metal composites may resolve the interface step change, improve the interface stress state under impact and exert the high strength and hardness of ceramic and high toughness of metal, meeting the requirements of advanced armour materials in light weight and high efficiency armour systems. Considering the gradient B4C/Al armour materials, this project aims to realize the ceramic-metal co-continuity and continuous composition gradient. The effect of composition, structure and microstructure on ballistic performance will be systematic researched, revealing the damage behavior and dynamic response mechanism under impact, providing a steady base in theory and technology for the application in military aircraft, tanks, armoured vehicles and combatant armour system.

陶瓷/金属层状装甲材料的界面阶跃变化是导致其抗打击能力下降的关键因素之一，陶瓷/金属复合材料的梯度化可有效地解决其界面阶跃变化，改善其冲击载荷下的界面应力状态，充分发挥陶瓷的高强、高硬特性和金属的高韧性，可满足未来轻量化和高效化装甲系统对高性能装甲材料的需求。本项目以B4C/Al梯度装甲材料为研究对象，通过材料的结构设计与制备工艺的优化，实现材料中陶瓷与金属的双连续和成分的连续梯度。系统研究材料的组成、结构及微观组织对其抗侵彻性能的影响规律与机理，揭示其在冲击载荷下的损伤行为及动态响应机制，为其在军机、坦克、装甲车辆以及作战人员装甲系统中的应用奠定理论和技术支撑。

针对未来轻量化和高效化装甲系统对高性能装甲材料的需求，本项目开发出新型的高性能梯度陶瓷金属双连续复合材料的制备方法，实现梯度材料成分连续变化，获得新型的梯度结构和界面结合形式。由于本项目所制备的双连续复合材料具有独特的微观结构，其界面结合形式与传统的陶瓷金属复合材料显著不同，首先对均质多孔陶瓷支架进行微观结构调控以及对均质双连续复合材料的力学性能和抗侵彻性能进行研究，这能为梯度双连续复合材料的抗侵彻性能的研究奠定基础。这种双连续复合材料激发了多种增韧机制，使材料具有优越的抗冲击性能，阐明陶瓷金属双连续复合材料在高应变率下的损伤演化机制。开发出新型的梯度多孔陶瓷制备工艺，实现高孔隙率到低孔隙率范围的连续变化。随后采用熔体浸渗工艺，针对不同梯度结构的多孔陶瓷预制体，确定最佳的浸渗工艺参数，制备出致密、无有害界面反应生成物的B4C/Al梯度双连续复合材料。该梯度复合材料具有出色的强度和韧性的组合，并且可以有效地消除分层和界面的突然变化。利用数值仿真手段获取不同梯度变化装甲材料弹道极限速度、弹体侵彻过程，分析梯度装甲材料受弹体侵彻过程中弹体速度、加速度、动能的衰减特性，进而揭示成分梯度变化对梯度装甲材料抗侵彻性能的影响机制。综合上述结果，本研究为开发轻量化和高效化装甲系统奠定了坚实的工作基础，为其在军机、坦克、装甲车辆以及作战人员装甲系统中的应用提供了理论基础和技术支撑。